2 Углерод

2.1 Природные ресурсы

Содержание углерода в земной коре составляет 0,1%. Встречается как в свободном виде (алмаз, графит), так и в связанном состоянии (диоксид углерода, карбонаты, нефть, природный газ, сланцевое масло, битумы). Масса добываемых алмазов 0,1 – 1 карат. Крупные кристаллы в 100 карат встречаются редко. Самый крупный в мире алмаз «куллинан» массой 3106 карат был найден в 1905 году в южной Африке.

2.2 Аллотропные модификации углерода

Углерод встречается в виде четырех аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин и фуллерен, отвечающих трем типам гибридизации.

Алмаз (sp³) – бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, обладающее большой твердостью и значительной плотностью. Он тверже всех веществ. Его широко используют резки стекол, бурения горных пород, шлифования особо твердых материалов. Образцы его в чистом виде сильно преломляют свет (светятся). При специальной огранке прозрачных кристаллов получают бриллианты. Это самый дорогой из драгоценных камней.

При sp²-гибридизации образуется плоская структура графит. Графит – черно-серое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Расстояние между слоями очень велико (0,335 нм), а межмолекулярные силы между слоями в графите очень малы. Графит расщепляется на тонкие чешуйки, которые сами по себе очень прочны и легко прилипают к бумаге. Графит тугоплавок, из него готовят тигли для металлургии. В ядерных реакторах графит используют в качестве замедлителя нейтронов.

При sp-гибридизации образуется карбин, открытый в 1963 году, позднее обнаруженный в природе. Карбин получают путем каталитического окисления ацетилена. Карбин – мелкокристаллический порошок черного цвета. Кристаллы карбина состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединенными чередующими одинарными и тройными связями.

В 1985 году появилось сообщение о синтезе фуллереновой структуры. Если алмаз является трехмерным полимером, графит можно рассматривать как двухмерную модификацию, то карбин – линейный полимер, представляющий одномерную модификацию. По твердости карбин превосходит графит, но уступает алмазу. Обладает полупроводниковыми свойствами. При нагревании (Т=2880 ⁰С), без доступа воздуха превращается в графит.

К разновидностям графита относят сажу и древесный уголь. Уголь получается при термическом разложении углеродистых соединений. Уголь представляет собой тонко измельченный графит. Древесный уголь получается при обугливании древесины. Уголь (особенно древесный) содержит большое количество пор, поэтому обладает большой адсорбционной способностью.

2.3 Химические свойства углерода

При обычной температуре углерод весьма инертен, при определенных условиях проявляет окислительные и восстановительные свойства. Окислительные свойства проявляются в реакциях:

4Al + 3C = Al₄C₃;

CaO + 2C = CO + CaC₂;

C + 2H₂ = CH₄.

Восстановительные свойства для угля более характерны:

С + О₂ = СО₂.

Уголь восстанавливает Fe, Cu, Zn, Pb и другие металлы из их оксидов:

2ZnO + C = 2Zn + CO₂.

При высоких температурах углерод взаимодействует с кислородом, азотом, галогенами и многими другими металлами.